雙級熱泵的應用與技術難點

錢軼珺，陳聰慧，王澤宇，陶　瑾，陸裔晨

（上海電力綠色能源有限公司，上海200120）

雙級熱泵的應用與技術難點

錢軼珺，陳聰慧，王澤宇，陶瑾，陸裔晨

（上海電力綠色能源有限公司，上海200120）

在分布式能源項目中，用能用戶常要求熱水供應溫度達到60℃。常規的離心式熱泵由于蒸發器輸入溫度過低，無法滿足如此高的出水溫度要求。采用離心式熱泵+空氣源熱泵的雙級熱泵設計，空氣源熱泵可以將離心式熱泵蒸發器側輸入溫度提高至30～40℃，從而使離心式熱泵熱水滿足供熱要求。同時，空氣源熱泵和離心式熱泵單獨運行時還需滿足制冷工況下的負荷需求。因此，為確保雙級熱泵系統安全高效運行，空氣源熱泵與離心式熱泵工作特性的匹配是設計中的難點問題，特別是熱量、流量的匹配和中間溫度的確定等。

分布式能源；雙級熱泵

0　引言

隨著能源短缺與環境問題日益加劇，熱泵技術越來越受到大家的重視。目前，對于熱水溫度小于55℃的熱泵技術，國、內外已很成熟。對于制熱量大于1000kW、水溫大于60℃的大型高溫熱泵技術還處于研究和開發階段[1]。但在分布式能源項目中，用能用戶常要求制熱工況下熱水供應溫度達到60℃。若單獨采用離心式熱泵機組作為分布式供能系統的冷熱源，則熱水溫度無法滿足用戶需求。為滿足分布式能源項目節能環保的要求，同時滿足熱水溫度，我們采用了離心式熱泵+空氣源熱泵的雙級熱泵設計，將空氣源熱泵的熱水出水作為離心式熱泵的熱源，充分利用低品位能量，并實現離心式熱泵熱水溫度的提高。

1　雙級熱泵工作原理

圖1　雙級熱泵運行原理示意圖

雙級熱泵由空氣源熱泵做一級制熱，由離心式熱泵做二級制熱，通過將空氣源熱泵冷凝器側制取的低溫熱水循環至離心式熱泵的蒸發器作為低溫熱源的中間環路將其耦合。通過空氣源熱泵提供30～40℃的熱水，提高離心式熱泵蒸發器側的工作溫度，使離心式熱泵冷凝器側產生的高溫熱水溫度達到60℃，滿足用戶供暖需求。而且通過空氣源熱泵與離心式熱泵工作特性的匹配，雙級熱泵可在較高的制熱能效比下運行。

2　雙級熱泵系統在設計和應用中的難點

一般地，在分布式能源項目中，空氣源熱泵和離心式熱泵作為分布式供能系統的冷熱源，各自單獨運行時需滿足制冷工況下的負荷需求，聯合構成雙級熱泵系統運行時需滿足制熱工況下的負荷需求。且在大部分南方地區，冷負荷需求常大于熱負荷需求。雙級熱泵設備選型時，在確保各機組單獨運行能滿足冷負荷需求的前提下，需特別對制熱工況下空氣源熱泵與離心式熱泵運行特性進行匹配。

2.1熱量匹配

當熱泵制冷（或制熱）量參數確定時，其制熱（制冷）量參數也就基本確定，調整余量很小。這是由于制冷（或制熱）量主要是由壓縮機決定的，單純調整蒸發器或冷凝器容量對整機制冷（或制熱）量影響不大[2]。另外，同一臺熱泵機組滿負荷制熱量必定大于滿負荷制冷量。但是在南方地區制熱需求較低，在熱負荷需求接近甚至小于冷負荷的情況下，用戶的供能需求與設備的運行工況很難完美匹配，極易出現供冷量不足或者供熱量過剩的情況[3，4]。

為了滿足供能需求用戶，只能選擇供熱量過剩的搭配方式，這就導致了在制熱工況下，離心式熱泵無法滿負荷運轉，甚至長期低于最佳負荷運轉。這種情況會帶來兩方面的問題：一是造成了設備性能的浪費，二是一旦負荷過低可能引起離心機發生喘振故障。

2.2流量匹配

離心式熱泵與空氣源熱泵會存在流量不匹配的情況，并且在變工況的情況下可能會出現空氣源熱泵流量較大或者離心式熱泵流量較大兩種情況。因此解決流量不匹配的問題一定要結合兩種工況綜合考慮。一般有兩種解決辦法，一是增加旁路混水，二是加設水罐儲水。

圖2　雙級熱泵流量混水示意圖

圖3　雙級熱泵增設儲水罐示意圖

2.3中間溫度的選擇

中間溫度，指的是離心式熱泵蒸發器側的進出水溫度，在選擇中間溫度時需要考慮如下幾個因素

（1）能耗角度

提高中間溫度會增加風冷熱泵能耗，但會降低離心機的能耗，在考慮中間溫度時需要綜合考慮風冷熱泵與離心機的總能耗。不同的廠商設備特點不同，一般情況下離心式熱泵提升溫度的能力強于空氣源熱泵，但是也有個別廠商空氣源熱泵技術優勢較為突出，傾向于提高中間溫度的設計。

提高中間溫度溫差，可節省中間水泵能耗，但會增加熱泵機組能耗，故需要綜合考慮熱泵機組與中間水泵的總能耗來定中間溫差。

（2）系統安全性角度

由于離心式熱泵提升溫度的能力強于空氣源熱泵，所以在系統設計中傾向于降低中間溫度，降低空氣源熱泵的負擔，充分發揮離心式熱泵的優勢。這種思路總體來看是無誤的，但是經過研究發現，在空氣源熱泵可以負擔的溫度范圍內，中間溫度也不宜設置過低，具體有以下兩個原因：

一是如果中間溫度過低，導致導葉開度迅速降低以致于壓縮機的出口壓力和冷凝壓力接近，離心機會有喘震的問題，故不太希望中間溫度過低。

二是雖然風冷熱泵為螺桿壓縮機，沒有喘震問題，但是有壓縮機與電機的冷卻問題，冷媒依靠壓差流過電機表面冷卻電機，機組內冷媒的壓差主要靠環境溫度與熱水溫度之間的差值來維持，如果熱水出口溫度太低，不利于維持機組內的冷媒壓差，會影響電機散熱。另外壓縮機還會面臨異常磨損的問題。

（3）使用情況及系統控制角度

在系統設計時，一般以滿足最極端供能需求為前提來決定設備工況。天氣情況以上海為例，以上海近幾年冬季氣溫來計算，設計工況室外干球溫度至少低至-2℃，但是實際運行中環境溫度為4℃的情況更多，有的時候高達10℃的環境溫度也經常會出現。由于干球溫度的巨大變化，空氣源熱泵的制熱工況也會跟隨變化，這就直接影響了中間溫度的選擇、控制以及整個雙級熱泵系統的運行工況。

同時還需要考慮機組部分負荷特性對中間溫度影響。由于雙級熱泵中間環路的熱慣性較小，環路供回水溫度對系統負荷響應較快，這種現象對雙級熱泵供暖的動態特性影響明顯。尋求最佳中間溫度，可以進一步提高系統的供暖穩定性和能源利用系數。

冬季制熱時還要考慮化霜對中間溫度的影響。當換熱器表面溫度低于0℃且空氣濕度較大時將開始結霜。隨著霜層的增厚，空氣源熱泵將出現蒸發溫度下降、制熱量下降、風機性能衰減和電流加大等現象，從而使雙級熱泵無法正常工作。當發生結霜現象時，需消耗機組一部分熱量用于化霜。

2.4控制難點

雙級熱泵系統常需由多臺空氣源熱泵共同提供離心熱泵蒸發器側所需要的熱量。單臺空氣源熱泵機組的能效由室外溫度和負荷率決定，即在實際運行中，多臺空氣源熱泵機組并聯運行，當中間溫度設定值不變時，空氣源熱泵的開啟臺數同時還受到室外環境溫度的影響。通過對離心機組冷卻水進出水溫度及冷凍水進出水溫度的分析比較，結合冷機的喘振點，分析判斷雙級熱泵的開關順序，防止喘振現象的發生。可用負荷限制實現空氣源熱泵以及離心式熱泵同步加卸載。同時，可根據空氣源熱泵機組全工況條件下的性能數據，在不同室外溫度和中間溫度設定值條件下，對空氣源熱泵機組群的運行臺數進行優化，使得空氣源熱泵的能效達到最優。

3　結語

雙級熱泵的設計初衷，就是為了滿足較高出水溫度的供能需求。由于傳統離心式熱泵在制熱時蒸發器側輸入溫度過低，設計方就必須考慮使用其他設備來提高離心式熱泵蒸發器側的輸入溫度，而空氣源熱泵是較為理想的搭配設備。由于近年來南方冬季氣溫相對較低，再加上用戶對供熱舒適度的要求越來越高，雙級熱泵系統在今后的分布式能源建設中具有很高的發展潛力。

[1]解國珍.制冷技術[M].北京：機械工業出版社.1996.

[2]吳業正.制冷壓縮機[M].北京：機械工業出版社.2011.

[3]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社.2008.

[4]蘇亞欣.傳熱學[M].武漢：華中科技大學出版社.2009.

Application and Technical Difficulties of Double Stage Coupled Heat Pump

QIAN Yi-jun，CHEN Cong-hui，WANG Ze-yu，TAO Jin，LU Yi-chen
（Shanghai power green energy Co.，Ltd，Shanghai 200120，China）

In a distributed energy project，the hot water is required to be 60℃.As conventional centrifugal heat pump cannot meet the requirements of such high water temperature，double-stage coupled heat pump is adopted.Air source heat pump provides water of 30℃-40℃to increase working temperature of centrifugal heat pump evaporator.This makes the hot water of centrifugal heat pump satisfy heating requirements.Meanwhile，air source heat pump and centrifugal heat pump work separately to meet the cooling demand.So as to ensure safe and efficient operation of double-stage coupled heat pump，air source heat pump and centrifugal pump operating characteristics matching is a difficult problem in design，especially heat，flow matching and the determination of intermediate temperature.

distributed energy resources；double stage coupled heat pump

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.05.018

TU83

B

2095-3429（2015）05-0081-03

錢軼珺（1969-），女，上海人，主要從事天然氣分布式供能投資相關工作；陳聰慧（1988-），女，浙江蘭溪人，碩士，機務員，從事天然氣分布式供能機務相關工作。

2015-09-20

2015-10-20